力扣第五十题——Pow（x，n）

标签：递归 Pow 算法 long 力扣第五十 quickMul 计算 double

内容介绍

实现 pow(x, n) ，即计算 x 的整数 n 次幂函数（即，xn ）。

示例 1：
输入：x = 2.00000, n = 10
输出：1024.00000
示例 2：
输入：x = 2.10000, n = 3
输出：9.26100
示例 3：
输入：x = 2.00000, n = -2
输出：0.25000
解释：2-2 = 1/22 = 1/4 = 0.25
提示：

-100.0 < x < 100.0
-231 <= n <= 231-1
n 是一个整数
要么 x 不为零，要么 n > 0 。
-104 <= xn <= 104

完整代码

class Solution {
public:
    double quickMul(double x, long long N) {
        if (N == 0) {
            return 1.0;
        }
        double y = quickMul(x, N / 2);
        return N % 2 == 0 ? y * y : y * y * x;
    }

    double myPow(double x, int n) {
        long long N = n;
        return N >= 0 ? quickMul(x, N) : 1.0 / quickMul(x, -N);
    }
};

思路详解

一、问题背景

给定一个double类型的浮点数x和一个整数n，实现一个函数来计算x的n次幂。由于直接计算可能会导致效率低下或数值溢出，因此需要采用一种高效的算法来解决这个问题。

二、解题思路

为了高效地计算x的n次幂，我们可以使用快速幂算法。快速幂算法的核心思想是将指数n分解为2的幂次之和，从而将时间复杂度从O(n)降低到O(log n)。

以下是详细思路：

分治思想：将大问题分解为小问题，通过小问题的解来构建大问题的解。
递归实现：利用递归将n不断折半，减少计算次数。

三、代码详解

quickMul函数

double quickMul(double x, long long N) {
    if (N == 0) {
        return 1.0;
    }
    double y = quickMul(x, N / 2);
    return N % 2 == 0 ? y * y : y * y * x;
}

基本情况：当N为0时，任何数的0次幂都等于1，直接返回1.0。
递归步骤：将N折半，递归计算x的N/2次幂，记为y。
如果N是偶数，那么x的N次幂等于y的平方；如果N是奇数，那么x的N次幂等于y的平方乘以x。

myPow函数

double myPow(double x, int n) {
    long long N = n;
    return N >= 0 ? quickMul(x, N) : 1.0 / quickMul(x, -N);
}

考虑n的正负：如果n为正，直接调用quickMul函数计算x的n次幂；如果n为负，先计算x的-n次幂，然后取其倒数。
防止溢出：将n的类型转换为long long，以防止在计算-x时发生整数溢出。

四、总结

通过使用快速幂算法，我们将计算x的n次幂的时间复杂度降低到O(log n)，大大提高了算法的效率。同时，考虑了n的正负和整数溢出问题，使得算法更加健壮。这种分治和递归的思想在解决其他问题时也非常有用。

知识点精炼

一、核心概念

快速幂：一种高效计算x的n次幂的算法，时间复杂度为O(log n)。
递归：一种编程技巧，函数可以调用自身来解决问题。
分治法：将大问题分解成小问题，分别解决后合并结果。

二、知识点精炼

递归终止条件：
- 当n等于0时，任何数的0次幂都是1，这是递归的基本情况。
递归分解：
- 将n折半，递归计算x的N/2次幂，减少计算量。
奇偶判断：
- 使用模运算符（%）判断n的奇偶性，以决定是直接返回递归结果还是需要额外乘以x。
处理负指数：
- 对于负指数，先计算正指数的幂，然后取倒数。
防止整数溢出：
- 将int类型的n转换为long long类型，避免在计算过程中出现整数溢出。

三、代码实现要点

快速幂函数quickMul：
- 递归计算x的N次幂，通过判断N的奇偶性来决定递归返回的结果。
主函数myPow：
- 处理n的正负，并调用quickMul函数。
- 考虑n为负数的情况，通过取倒数来得到正确的幂运算结果。

四、性能与优化

时间复杂度：O(log n)，因为每次递归都将问题规模减半。
空间复杂度：O(log n)，递归栈的深度。

五、应用场景

快速幂算法适用于需要频繁计算大数幂的场景，如密码学中的加密算法。
该算法的分治和递归思想可以推广到其他需要高效计算的数学问题。

快速幂的实际运用

快速幂算法（Fast Powering Algorithm）在计算机科学和数学中有着广泛的应用，以下是一些实际应用场景：

密码学：
- RSA加密算法：在RSA加密中，快速幂算法用于计算大整数的幂模运算，这是加密和解密过程的关键步骤。
- 数字签名：数字签名算法也常常涉及到大数的幂运算，快速幂算法可以提高签名和验证的效率。
计算机图形学：
- 矩阵幂运算：在图形变换中，矩阵的幂运算用于缩放、旋转等变换，快速幂可以加速这些计算。
数值计算：
- 计算连分数：在数值分析中，连分数的计算有时需要用到幂运算，快速幂可以用于加速这一过程。
- 求解递推关系：快速幂算法可以用于求解某些递推关系式，如斐波那契数列的高效计算。
算法竞赛与编程：
- ACM/ICPC竞赛：在算法竞赛中，快速幂算法经常用于解决涉及大数运算的问题。
- 编程挑战：许多在线编程平台和挑战赛的问题都会涉及到快速幂算法。
科学计算：
- 模拟和优化：在物理学、经济学等领域，快速幂算法可以用于模拟和优化问题，例如计算增长或衰减过程。
游戏开发：
- 游戏物理：在游戏物理引擎中，快速幂算法可能用于计算物体的加速度、速度等物理量的变化。
分布式计算：
- MapReduce：在分布式计算框架中，快速幂算法可以用于处理大规模数据集中的幂运算问题。

快速幂算法之所以有这么多应用，主要是因为它能够高效地处理大数的幂运算，这在很多领域中都是非常重要的。此外，快速幂算法的实现相对简单，容易理解和编码，这也使得它成为了许多问题解决方案的首选。

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